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单腿跳跃机器人轨迹规划(2)

时间:2015-10-15 10:48 文章来源:http://www.lunwenbuluo.com 作者:论文部落 点击次数:


  程,三个关节角不是相互独立的。运用参数化方法假定关节角1和关节角2按如下规律进行变化:
  θj(t)=aj1+aj2t+aj3t2+aj4t3+aj5t4+aj6t5+aj7t3(t-tfl)3 (10)j=1,2
  注意到,最后一个系数的改变不影响角度、角
  速度、角加速度的边界值,它的存在用于改变曲线的形状。上述2个关节角共14个系数,加上关节角3初始时刻角速度θ
  · fl
  3,0
  共15个未知参数。
  腾空段外力只有重力,所以其关于质心的角
  动量守恒。由此可得关系式
  d H
  dt =g(Θfl,Θ
  · fl,Θ¨fl)=0 (11)
  将整个腾空时间离散化,假设分为N 个时间
  间隔Δt,将第k个时间间隔内的Θfl
  k、Θ
  · fl
  k
  和θ ¨
  1,k、θ ¨
  2,k
  代入式(11)中可以得到θ ¨
  3,k,运用欧拉公式进行
  数值积分得到
  θ ·
  3,k+1 =θ
  ·
  3,k +θ
  ¨
  3,kΔt (12)
  θ3,k+1 =θ3,k +θ
  ·
  3,kΔt+12 θ
  ¨
  3,kΔt2 (13)
  由式(10)~ 式(13)计算出所有关节角的角度、角速度和角加速度后,再由式(2)可以计算出每个采样时间内的膝关节和髋关节力矩τ2、τ3,踝关节力矩τ1 =0。
  机器人在腾空段的优化模型如下:
  目标函数:c= 12
  UTUΔt
  U =
  [τ1(1)τ2(1)τ3(1) … τ1(N)τ2(N)τ3(N)]T等式约束:
  [θ1(t=0)θ2(t=0)]T = θfl[10 θf2l0]
  T
  [θ1(t=tfl)θ2(t=tfl)]T = θfl[1f θf2lf]
  T
  P ·
  fl
  c0 = [vcx vcy0]
  T
  P¨fl
  c0 = [0 -g ]T  θ3,N+1 =θfl3f
  不等式约束:
  τ2l≤τ2 ≤τ2u  τ3l≤τ3 ≤τ3uθil≤θi ≤θiu  i=1,2,3
  θ23l≤θ23 ≤θ23u
  yfl
  f(k)>0  k=1,2,…,N -1
  其中,yfl
  f
  表示腾空段时脚在惯性系中的竖直方向
  位移。腾空段过程是运用MATLAB中的fmincon函数寻优,以下各段均与此相同。
  站立段的优化模型与此类似,考虑到跳跃过
  程中的碰撞现象和周期性特点,站立段开始时刻状态就是机器人脚与地面发生碰撞之后的状态,站立段终了时刻状态就是机器人腾空前一时刻的状态,所以当腾空段的状态确定以后,这两个时刻的状态也就被确定了,即已知Θst
  0、Θ
  · st
  0、Θst
  f、Θ
  · st
  f(其
  中上标st表示站立段)。假设站立段质心前向平均速度与腾空段质心前向速度相同,由式(1)可得站立段质心开始时刻和终了时刻的位置Pstc0、
  Pst
  cf,那么站立段时间为
  tst=
  xst
  cf-xst
  c0
  vcx
  (14)
  站立段是全驱动状态,假设三个关节角都按
  式(10)的规律变化,目标函数与腾空段相同,优化模型的约束如下:

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